先进封装也称为高密度封装,是一种集成电路封装技术,旨在提高尺寸密度、信号传输速度和能效,包括倒装焊、2.5D封装、3D封装、晶圆级封装、Chiplet等。是相对于传统封装而言的概念,先进封装是通过使用最先进的设计理念和集成化加工工艺,对芯片进行封装级别的重新构建,以有效提升系统功能密度。目前在摩尔定律发展放缓的背景下,先进封装通过创新封装手段实现芯片更紧密的集成,正成为未来集成电路制造的重要发展方向。
一、先进封装重要性日益凸显,占市场价值比例持续上升
根据观研报告网发布的《中国先进封装行业现状深度研究与投资前景预测报告(2024-2031年)》显示,封装是半导体后道制程,主要起芯片保护、连接作用。半导体封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封,并加工为成品芯片的过程,是半导体产业链中的关键一环,直接影响着芯片的性能和可靠性。
资料来源:公开资料,观研天下整理
近年随着集成电路工艺制程越发先进,对技术端和成本端均提出巨大挑战,封装行业实现了从传统封装到先进封装的转变。且在摩尔定律发展放缓的背景下,先进封装通过创新封装手段实现芯片更紧密的集成,正成为未来集成电路制造的重要发展方向。
相对于传统封装而言的概念,先进封装则采用先进设计思路和集成工艺,对芯片进行封装级重构,能有效提升系统高功能密度。它可在不单纯依靠芯片制程工艺突破的情况下,通过晶圆级封装和系统级封装,提高产品集成度和功能多样化,满足终端应用对芯片轻薄、低功耗、高性能的需求,同时大幅降低芯片成本,在高端逻辑芯片、存储器、射频芯片、图像处理芯片、触控芯片等领域广泛应用。
传统封装与FOWLP、以及以2.5D/3D为主的先进封装对比情况
指标 |
传统封装 |
FOWLP |
2.5D/3D |
内存带宽 |
低 |
中 |
高 |
能耗比 |
低 |
高 |
高 |
芯片厚度 |
高 |
低 |
中 |
芯片发热 |
中 |
低 |
高 |
封装成本 |
低 |
中 |
高 |
性能 |
低 |
中 |
高 |
形态 |
平面、芯片之间 缺乏高速互联 |
多芯片、异质集成、芯片之间高 速互联 |
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目前随着半导体技术的不断发展,先进封装作为后摩尔时代全球集成电路的重要发展趋势,正日益受到广泛关注,占市场价值比例持续上升。有数据显示,2023年全球先进封装市场规模约为439亿美元左右,占整体封装市场的48.8%,接近市场的一半。预计2024年全球先进封装市场份额将增长至49%,未来有望超越传统封装市场。
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二、人工智能等新兴领域应用风潮推动,先进封装需求持续旺盛
受存储器下游市场应用端回温、人工智能与高性能计算等应用风潮推动,先进封装领域需求持续旺盛。当前全球人工智能行业市场规模正在爆发式增长。到2023年全球人工智能产业规模达7078亿美元,同比增长19.3%。作为人工智能的开端,AI芯片得到巨大发展机遇。在过去35年中,全球半导体市场规模增长近20倍,年均增速达9%。到2030年,全球半导体市场规模有望增长到1万亿美元,年均复合增长率达到8%。
因此随着人工智能应用的风潮推动,先进封装领域需求将持续旺盛。一方面,消费电子等终端产品对设备需求越来越小型化,对应的芯片封装尺寸要求也越来越高;另一方面,5G、高性能运算、智能驾驶、AR/VR、物联网对芯片的性能提出了更高的要求,对应的芯片封装密度要求也越来越高。芯片只有提供更小的尺寸和更好的能耗才能满足下游领域的需求。先进封装凭借更高的互联密度和更快的通信速度,得到愈加广泛的应用。
有相关预测分析,到2026年全球先进封装市场规模增长至482亿美元,年复合增长率6.2%。其中ED、3D-Stack、Fan-out的平均年复合增长率最大,分别达到24.8%、17.7%、12.0%。与此同时,未来部分封装技术在特定领域会有进一步的渗透和发展,如Fan-out封装在手机、汽车、网络等领域会有较大的增量空间,如3D-Stack在AI、HPC、数据中心、CIS、MEMS传感器等领域会有较大的增长空间。
此外半导体行业面临的挑战包括全球供应链重整,节能减碳与可持续发展等。其中,气候变化是二十一世纪全球面临的重大挑战,众多国家提出碳中和承诺,新能源汽车、绿色工厂、第三代半导体,为半导体产业带来发展机会。据估算,生产一个2克重的计算机芯片,需要32公斤水资源,耗电3度;生产一片12英寸晶圆的耗水量约为4到5立方米,耗电1420度。全球绿色发展趋势也为可持续的设计、制造、先进封装技术带来机遇。
三、FCBGA、2.5D/3D、FCCSP是当前先进封装市场重要组成部分
从市场结构来看,当前先进封装市场上主要有FCBGA、2.5D/3D、FCCSP、SIP、FO、WLCSP等类型。其中主要以FCBGA为主,在全球市场占比达34%;其次为2.5D/3D封装和FCCSP封装,在全球市场占比同约为20%,同为重要组成部分。
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四、巨头相继押注先进封装赛道, 抢占市场有利地位
先进封装技术的不断创新是推动行业发展的重要动力。各企业纷纷加大研发投入,致力于提升技术水平和产品性能,以在竞争中占据有利地位。近两年台积电、英特尔、三星等国际巨头相继押注先进封装赛道。
台积电是全球先进封装技术的领军者之一,旗下3DFabric拥有CoWoS、InFO、SoIC三种先进封装工艺。其中CoWoS是台积电最经典的先进封装技术之一。2011年至今,台积电的CoWoS工艺已经迭代至第五代,期间中介层面积、晶体管数量、内存容量不断扩大。Nvidia、AMD、Broadcom、Marvell等是台积电CoWoS工艺的最大客户。
此外据报道,台积电计划2025年在全球范围内新建10家工厂,将专注于2nm制程工艺和晶圆上芯片封装(CoWoS)技术。其中先进封装工厂有3座,包括将收购的群创AP8液晶面板工厂改造成封装工厂和在嘉义科学园区新建封装工厂。
先进封装市场的热潮也吸引了芯片龙头的加码布局。2024年10月28日,英特尔宣布将扩容位于成都高新区的封装测试基地。据了解,近几年英特尔积极布局2.5D/3D先进封装赛道,并已经推出EMIB、Foveros、Co-EMIB等多种先进封装技术,力求通过2.5D/3D等多种异构集成的形式实现互联带宽倍增和功耗减半的目标。2018年,英特尔首次展示Foveros先进封装技术,引入3D堆叠,在逻辑芯片上堆叠逻辑芯片,实现横向和纵向的互联,且凸点间距进一步降低为25~50μm。英特尔表示Foveros可以将不同工艺、结构、用途的芯片整合到一起,从而将更多的计算电路组装到单颗芯片上,以实现高性能、高密度和低功耗。该技术提供了极大的灵活性,设计人员可以再新的产品形态中“混搭”不同的技术专利模块、各种存储芯片、I/O配置,并使得产品能够分解成更小的“芯片组合”。
此外三星也布局在2.5D/3D先进封装技术领域,并已经推出I-Cube、X-Cube等先进封装技术。针对2.5D封装,三星推出的I-Cube技术可以和台积电的CoWoS技术相媲美。针对3D封装,三星在2020年推出X-Cube技术,将硅晶圆或芯片物理堆叠,并通过硅通孔(TSV)连接,最大程度上缩短了互联长度,在降低功耗的同时提高传输速率。
除了台积电、英特尔、三星等国际巨头外,日月光控股、台积电、英特尔、三星、通富微电、华天科技、甬矽电子、晶方科技等半导体龙头企业也先后宣布投入资源,布局先进封装相关技术与扩充产能。
例如长电科技推出的 XDFOI® Chiplet 高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段,该技术涵盖 2D、2.5D、3D 集成技术。甬矽电子通过实施 Bumping 项目掌握了 RDL 及凸点加工能力,并积极布局扇出式封装(Fan-out)及 2.5D/3D 封装工艺。
部分半导体龙头厂商积极布局先进封装赛道情况
企业名称 | 布局情况 |
长电科技 | 在高性能先进封装领域,公司推出的 XDFOI® Chiplet 高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段,该技术涵盖 2D、2.5D、3D 集成技术。子公司长电微电子晶圆级微系统集成高端制造项目,计划 2024H1 开始设备进场。该项目聚焦全球领先的2.5D/3D 高密度晶圆级封装,面向全球高性能、高算力市场。另外,长电科技并购存储芯片封测厂晟碟半导体(上海)80%股权项目已完成交割;同时长电科技在上海临港的首座车规级芯片先进封装制造基地正在加速建设中。 |
通富微电 | 公司在 Chiplet、2D+等封装技术方面均有储备。截至2023 年12 月31日,公司累计国内外专利申请达 1544 件,先进封装技术布局占比超六成。超大尺寸2D+封装技术、3 维堆叠封装技术、大尺寸多芯片 chip last 封装技术已通过客户验证。2024年10月10日,总投资35.2亿元的通富微电先进封测项目正式开工,该项目未来产品将广泛应用于高性能计算、人工智能、网络通信等多个领域。 |
华天科技 | 公司持续开展先进封装技术和工艺研发,推进FOPLP 封装工艺开发和2.5D工艺验证,通过汽车级 AECQ100 Grade0 封装工艺验证,具备3D NANDFlash 32 层超薄芯片堆叠封装能力。 |
晶方科技 | 公司是全球将 WLCSP 专注应用在以影像传感器为代表的传感器领域的先行者与引领者,同时拥有领先的硅通孔(TSV)、WLP、Fanout 等封装技术。 |
甬矽电子 | 公司通过实施 Bumping 项目掌握了 RDL 及凸点加工能力,并积极布局扇出式封装(Fan-out)及 2.5D/3D 封装工艺。拟投14.6亿元新增Fan-out和2.5D/3D封装产能。 |
颀中科技、汇成股份 | 两家公司在以凸块制造(Bumping)和覆晶封装(FC)为核心的先进封装技术上积累了丰富经验。 |
华天南京集成电路 | 2024年9月22日,投资100亿元的华天南京集成电路先进封测产业基地二期项目奠基,未来产品瞄准存储、射频、算力、AI等领域。 |
日月光控股 | 2024年10月9日,日月光半导体新的K28工厂奠基,该工厂将加码先进封装终端测试以及AI芯片高性能计算。1 |
奇异摩尔和智原科技 | 双方合作的2.5D封装平台成功进入量产阶段。 |
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整体来看,当前全球厂商中海外前道厂商占据领先地位,封测厂商积极跟随。国内企业均有布局跟进。先进封装技术已成为“后摩尔时代”的重要路径。
五、目前我国先进封装市场规模较小,渗透率明显低于全球,未来有较大发展空间
同全球走势基本相同,近年我国先进封装市场规模不断增长,渗透率不断提升。数据显示,2023年,我国先进封装渗透率达到39%。预计2024年我国先进封装渗透率将增长至40%。
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但与国际先进水平相比,我国在先进封装领域仍相对落后,市场规模仍较小,渗透率明显低于全球,未来有较大发展空间。有数据显示,2020年中国先进封装市场规模约为351.3亿元,占整体封装市场规模的比例约14%,相较于全球先进封装占封装44.9%的比例低出不少。就算是到2023年,我国先进封装渗透率也仅约39%,明显低于全球(48.8%)。但预计随着长电科技、华天科技、甬矽电子等厂商的2.5D、3D等先进封装技术持续取得突破,国内厂商有望在全球半导体市场的竞争中将扮演越来越重要的角色。
当前我国先进封装市场企业主要有长电科技、通富微电、华天科技、,晶方科技、甬矽电子、颀中科技、汇成股份等。其中长电科技、通富微电、华天科技在先进封装领域相对领先。
我国先进封装市场集中度较高,行业CR3达到77.4%。具体来看,长电科技、通富微电和华天科技为我国先进封装三大龙头企业。从业务收入来看,2023年,长电科技市场份额占比最大,达36.9%;其次为通富微电、华天科技,市场份额分别为26.4%、14.1%。
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